DE2346746B2 - Logical links with Josephson contacts - Google Patents
Logical links with Josephson contactsInfo
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- H03K—PULSE TECHNIQUE
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Description
2πΝ2πΝ
(ΪΝ+\) π(ΪΝ + \) π
'»,ο λ '», Ο λ
1HlI) 1 HlI)
I1,I 1 ,
ί,,Λ)ί ,, Λ)
> 0,9 Tiir N=U > 0.9 Tiir N = U
> 0,35 für N = 1> 0.35 for N = 1
(/V ist die Anzahl der gespeicherten Hußquanten).(/ V is the number of stored Huss quanta).
8. Verknüpfungsglied nach einem der Ansprüche I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß Eingangskreis und Ausgangskieis galvanisch miteinander verbunden sind und daß die |oscphson-Kontakte (34 bis 36) im Eingangskreis auch als )oscphson-Koniakle im Alisgangskreis dienen.8. Linking element according to one of claims I to 3, characterized in that the input circuit and output circuits are galvanically connected to one another and that the | oscphson contacts (34 to 36) in the input circle also serve as) oscphson-Koniakle in the Alisgang circle.
9. Verknüpfungsglied nach Anspruch 8 /um Ausliihrcn einer UND-Verknüpfung, gekennzeichnet durch η Eingangsleitungen (40 ... 42). di<: je einem joscphson-Koniakt (Ϊ4 ... 36) /ngeordm:! sind, welche Kontakte je mit einer Induktivität (37 ... 39) in Keine geschaltet sind, und wobei diese η Reihenschaltungen über eine angepaßte Übertragungsleitung (4J) mit einer 'Visyaiigsimpedan/ (44) parallel geschaltet sind, und daß die Schailimgspaiameter so gewählt sind, daß nach dem Anlegen sämtlicher lingangssignale die zugeordneten Kontakle (34·... 36) in ihren normalleileiiden Zustand umschalten und dabei ein Ausgangssignal in der Übertragungsleitung (43) erzeugen, wobei die Induktivitäten (37.. .39)der Bedingung genügen:9. Linking element according to claim 8 / to Ausliihrcn an AND link, characterized by η input lines (40 ... 42). di <: one joscphson conact each (Ϊ4 ... 36) / ngeordm :! are which contacts are each connected to an inductance (37 ... 39) in none, and these η series connections are connected in parallel via an adapted transmission line (4J) with a 'Visyaiigsimpedan / (44), and that the Schailimgspaiameter are chosen are that after all input signals have been applied, the associated contacts (34 ... 36) switch to their normal state and thereby generate an output signal in the transmission line (43), the inductances (37 ... 39) satisfying the condition:
IJ.IJ.
< 3/8<3/8
Φι,Φι,
worin /„<> der maximale losephson-Slrom. V die Induktivität und Φ»das I lußquantum bedeuten.where / "<> is the maximum losephson slrom. V denotes inductance and Φ » denotes the quantum of flow.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ;.uf josephson-Kontakt-Vcrknüpfungsglicder, gemäß d-:m Oberbegriff des Palentanspruchs 1. Ein Beispiel für die Anwendung eines solchen Verknüpfungsgliedes bilden Datenverarbeitungsanlagen.The present invention relates to: Josephson Kontakt Associations, according to d-: m generic term of the Palent claim 1. An example of the Use of such a link form data processing systems.
Man ist seit langem bemüht, den Zeitaufwand bei Schalloperationen zu senken und die Packungsdichte von Schaltkreisen zu erhöhen, um die Ausführung einer gRißeren Anzahl von Schaltoperationen in einem bestimmten Zeitintervall bei kleinerem Plat/bedarf für die Schaltkreise zu ermöglichen. Zum Stand der Technik losephson-Kontakt-Spcicherelemenie. die diesen Anforderungen genügen, und es ist deshalb wichtig, über logische Schaltungen /u verfügen, die in der gleichen Technologie hergestellt weiden können.Efforts have long been made to reduce the time required for sound operations and the packing density of circuits to perform a greater number of switching operations in one certain time interval with smaller space / requirement for to enable the circuits. To the state of the art losephson contact memory elements. meeting these requirements suffice and it is therefore important to have logic circuits / u that work in the same Technology made to graze.
Die bisher vorgesch.agenen Sciialteranordnungen in losephson-Kontakt-Teelinologie haben den entscheidenden Nachteil, nicht automatisch rüeksiellend zu sein und daher für die Rücksielloperalionen zusätzliche Schalter zu benötigen. Das ist kein technisches Problem, aber die Wirtschaftlichkeit von Vorrichtungen mit Schaltcranordnungen gemäß dem Stande der Technik wird naturgemäß durch die langen Zykluszeiten beeinträchtigt.The previously proposed school age arrangements in losephson-Kontakt-Teelinologie have the crucial Disadvantage of not being automatically retroactive and therefore to require additional switches for the reverse operation. This is not a technical problem but the economy of devices with switching crane arrangements according to the prior art is naturally impaired by the long cycle times.
ίο Beispiele für logische Schaltungen in losephson-Kontakt-Technologie gemäß dem Stande der Technik sind im IBM Technical Disclosure Bulletin. Vol. 7. No. 5. August 1964. Seite 271. Artikel von M. Γ. Merriani. und Vol. 15. No. 5, OkI. 1972. S. 1528. beschrieben. Ein r> losephson-Speicher ist im schweizer Patent 4 8b 1)95 offenbart. Weitere l.ileraturstellen von Interesse im Zusammenhang mit der hiernach zu beschreibenden Erfindung sind zwei Artikel von D. E. McCumber. die im lotirn. Appl. Phys., Vol. 39. No. b. Mai I4b8. pp. 2 >(>i his 2Wi. und Vol. 39. No. 7. |imi 19b8. pp. Jl 13 bis 31IH. veröffentlich; sind, sowie das Buch >■ Superconductive Tunneling and Applications« von 1.. SnKmar. Verlag ('hapman and Hall Ltd., London 1972.ίο Examples of logic circuits in losephson contact technology according to the prior art are in the IBM Technical Disclosure Bulletin. Vol. 7. No. August 5, 1964. Page 271. Article by M. Γ. Merriani. and Vol. 15. No. 5, OkI. 1972, p. 1528. A r> losephson memory is disclosed in Swiss patent 4 8b 1) 95. Additional references of interest in connection with the invention to be described hereinafter are two articles by DE McCumber. those in the lotirn. Appl. Phys., Vol. 39. No. b. May I4b8. pp. 2>(> i his 2Wi. and Vol. 39. No. 7. | imi 19b8. pp. Jl 13 to 31IH. published; are, as well as the book> ■ Superconductive Tunneling and Applications "by 1. SnKmar. Publisher ('hapman and Hall Ltd., London 1972.
Die vorliegende Erfindung hat sich dementsprechend 2"> die Aufgabe gestellt, selbst rückslelleude Verkniip fiingsschaliungcn unter Verwendung v<m losephsnu Kontakten anzugeben.The present invention has accordingly 2 "> set the task, even backward connection fiingsschaliungcn using v <m losephsnu To indicate contacts.
Diese Aufgabe wild durch die im Patentanspruch ! angegebene Erfindung gelöst.This task wild by the claim! specified invention solved.
in Die Vorteile dieser Erfindung bestehen insbesondere darin, daß /iir Rückstellung der Verkiiiipfiingselemente keine besonderen Schalter und I Interbrechungen des Arbeitssiroms notwendig sind und daß dadurch auch umfangreichere Vcrkniipfungsschaliimgcn ohne großen Si Aufwand realisiert werden können. Weitere Vorteile sind die Flexibilität des Schaliiiiigsaul'haus infolge der Kombination »on selbst ι iicksicllctulcn josephson Kontakten mit Schaltkreisen, die' eine reversible Slromuniveneilung gcsiatu-ii. du- hohe Schallgeschw in 4(i digkeit der VcrknüpliitiL'SL'licilcr und Jie relativ einlache Herstellung nut Methoden der Dünnschicht icchnik.The advantages of this invention are in particular in that / iir resetting of the locking elements no special switches and I interruptions of the Working groups are necessary and that, as a result, more extensive connections without major Si effort can be realized. Other advantages are the flexibility of the Schaliiiiigsaul'haus as a result of the Combination »on yourself ι iicksicllctulcn josephson Contacts with circuits that are 'reversible Slromuniveniven gcsiatu-ii. du- high sound speed 4 (i dness of the linkages and jie relative Simple production using thin-film technology.
I in/elheiteii der l'ii'lindtmg wcrilen hiernach inn
IJe/ug auf in den Zeichnungen dargestellte hcvoi/u^ic
4"> Ausführungsbcispiele erläutert.
In den Zeichnungen zeigtI in / elheiteii the l'ii'lindtmg are hereinafter explained in IJe / ug on the examples shown in the drawings.
In the drawings shows
E i g. I ein Blockschallbild eines bekannten losephson-Kontakt-Verknüpfungsgliedes, E i g. I a block diagram of a known losephson contact link,
I" i g. 2 eine Steuerkennlinie eines loscphson-Kon-ϊΐι takls,I "i g. 2 a control characteristic of a loscphson-Kon-ϊΐι takls,
E i g. 3 eine Strom/Spannungs-Kcnnlinic,
l-'ig. 4 eine Strom/Spannungs-Kcnnlinic für einen
spezifischen Ausgangskreis eines Verknüpfungsgliedes. E i g. 5 ein Blockschaltbild eines Josephson-Kontak1-
·>■) Verknüpfungsgliedes mit einer induktiven Schleife,E i g. 3 a current / voltage concept,
l-'ig. 4 a current / voltage principle for a specific output circuit of a logic element. E i g. 5 a block diagram of a Josephson contact 1 - ·> ■) logic element with an inductive loop,
Fig. b und 7 den .Stromübergang in einer induktiven Schleife,Fig. B and 7 the .Stromübergang in an inductive Ribbon,
F i g. 8 ein Schaltbild eines UND-Gliedes,
I7 i g. 9 ein Schaltbild eines weiteren UND-Gliedes.
Wi E i g. 10 ein Schaltbild eines ODER-Giiedes,
F i g. 11 ein Schaltbild eines NICHT-Gliedes,
Fig. 12 eine Zusammenstellung von Gleichungen, auf
die die Beschreibung Bezug nimmt.F i g. 8 is a circuit diagram of an AND gate,
I 7 i g. 9 is a circuit diagram of a further AND element.
Wi E i g. 10 is a circuit diagram of an OR gate,
F i g. 11 is a circuit diagram of a NOT element,
12 is a compilation of equations to which the description refers.
Die loscphson-Kontakt-Verknüpfungsglieder derThe loscphson contact links of the
π', voi liegenden Erfindung benutzen zwei voneinander unabhängige Prinzipien für die Steuerung ihres Verhallens. Um diese Prinzipien leichter verständlich zu machen und um dem Fachmann für die Ausführung derπ ', the present invention use two of each other independent principles for controlling their behavior. To make these principles easier to understand make and to the specialist for the execution of the
/Ii beschreibenden Erfindung nütxliche Angaben /ti machen, erscheint cine kurze Beschreibung bereits vorbekannter Vorrichtungen wünschenswert./ Ii descriptive invention useful information / ti make a brief description of previously known devices appears to be desirable.
I.s ist bereits ein Verknüpfung'-.-lied vorgeschlagen worden, das einen )osephson-Komakt enthalt, der an cine mil ihrem Wellenwiderstand abgeschlosseneA linkage '-.- song is already suggested which contains an osephson compact, which at cine closed with its wave resistance
I 'beruagungsleiuing angeschlossen ist. Hin derartiges Verknüpfungsglied ist in Fig. 1 gezeigt, worin ein Josephson- Kontakt IO nut seinen Klinischen und kapa/iliven Leitwerten (Ί und ( dargestellt ist. der an cmc I Jbertragungsleiliing Il angeschlossen ist. die einen Wellenwiderstand Zt,aufweist. Die ÜbertragungsleitungI'm affiliated with the borrowing of the party. Hin Such gate 1 is shown in Fig., In which a Josephson junction IO nut its clinical and kapa / iliven conductances (Ί and is shown (. Which is connected to cmc I Jbertragungsleiliing Il. Having a characteristic impedance Zt. The transmission line
I1 ist mit einem Widerstand Ri abgeschlossen, der dem Wellenwiderstand A\ entspricht. Die Parallelschaltung ■ins losephson-Kontakl 10 und Übertragungsleitung Il wird über eine i.eiiutig Ϊ2 iiui einem Aibciissii wni //, gespeist. Mit dein loscphson-Konlak! 10 ist eine Sieiierleitung 13 gekoppelt, an die ein Steuerstrom /, angelegt werden kann. Wenn die Starke des Steuerstroms A geeignet gewählt ist. kann er den Maximalst rom /,„durch den josephson-Kontakt mittels des von ihm erzeugten Magnetfeldes steuern. Dieser Zusammenhang wird mil Bezug auf die Steuereharaktenstik des losephson-Koniaklcs gemäß Ii g. 2 erklärt.I1 is terminated with a resistance Ri , which corresponds to the characteristic impedance A \. The parallel connection into the losephson contact 10 and the transmission line II is fed via an identical Ϊ2 iiui an Aibciissii wni //. With your loscphson-Konlak! A sieving line 13 is coupled to 10, to which a control current / i can be applied. When the strength of the control current A is selected appropriately. he can control the maximum current through the Josephson contact by means of the magnetic field generated by him. This connection is made with reference to the control characteristics of the losephson-Koniaklcs according to Ii g. 2 explained.
I i g. 2 zeigt ein typisches Beispiel der Abhängigkeit ties maximalen losephsonstroms /'„, vom Steuerstrom /,. Wenn der Steuerst rom /, = 0 ist. kann ein gewisser Strom /„,,ι im |osephson-Koniakt fließen, welcher Strom in' wesentliche" von den benutzten Materialien und den Abmessungen des Kontakts abhängt. Bei Strömen oberhalb von /,„„ schaltet der loscphson-Kontakt spontan von seinem supraleitenden Zustand in seinen normalleitenden, d. h. widerslandsbehafteten Zustand um. Wird de: Steuerst rom /. beispielsweise bis /i;in Wert /, ι erhöht, so erniedrigt sich der maximale Strom durch den loscphson-Kontaki bevor das Schalten eintritt, /u /,„ ι.I i g. 2 shows a typical example of the dependence of the maximum losephson current / '", on the control current /,. When the control current /, = 0. a certain current can flow in the osephson conact, which current in 'essential' of the materials used and the Dimensions of the contact depends. With currents above /, "" the loscphson contact switches spontaneously from its superconducting state to its normally conducting, d. H. contradicting state around. Will de: tax current /. for example to / i; in If the value /, ι increases, the maximum current is reduced through the loscphson-Kontaki before switching occurs, / u /, "ι.
Im supraleitenden Zustand des foscplison-Kontakts HicHi der gesamte Arbeilsstroni I1, im josephson-Kontakt (I1, = IJ. da die abgeschlossene Übertragungsleitung Il einen widerstandsbchahelen Pfad darstellt. V\ .im nun ein Steuerstrom /, _■ angelegt wird, schaltet dc josephson Kontakt in seinen nornialleitenden /us;and um. wnbei ein Spannungsabfall \) über dem Kontakt auftritt. Nun wird der Strom //, in einen Teil / < /λ. der weiterhin über den |osephson-Komaki fließt, und einen Teil // aufgeteilt, der in den testwiderstand Ki verdrängt wird, wobei // = V/R,. In the superconducting state of the foscplison contact HicHi, the entire working current I 1 , in the Josephson contact (I 1 , = IJ. Because the closed transmission line II represents a path with resistance dc josephson contact in its normalconducting / us; and um. if a voltage drop \) occurs across the contact. Now the stream becomes //, in a part / </ λ. which continues to flow over the | osephson-Komaki, and a part // divided which is displaced into the test resistor Ki , where // = V / R ,.
Der entsprechende Arbeitspunkt kann grafisch aus der I ι ■:. 3 entnommen werden, worin die Kurve 4 die Kennlinie eines josephson-Kontakts ohne Steuerstrom / darstellt. Der maximale losephson-Strom ins /',,,. 11. der Arbeitssirom //, ist daher kleiner als der Strom ;,..„. Anfangs fließt der gesamte Strom durch den |osephson-Kontakt. Wenn an die Stcuerleitung 13 (Fig. 1) ein Steuerstrom /, angelegt wird, erniedrigt sich der maximale losephson-Strom von i„,„ zu /,.„, und die Kennlinie geht von der Kurve A in die Kurve ßüber. Da nun der Arbeitsstrom //, größer ist als der maximal /uiassige Strom /„,,,. schaltet der losephson-Kontakl in seinen normallcilendcn Zustand um und nimmmt den Arbeitspunkt F im Schnittpunkt der Widerstandsgeraden 14 mit der Kurve B ein. Der Strom lh ist nun aufgeteilt in einen Strom //. der weiterhin durch den losephson-Kontakt fließt und einen Strom Ii durch den Last widerstand Ri. Der Spannungsabfall über dem losephson-Kontakt ist V/.The corresponding working point can be shown graphically from the I ι ■ :. 3, in which curve 4 represents the characteristic of a Josephson contact without control current /. The maximum losephson current ins / ',,,. 11. the working circle //, is therefore smaller than the current;, .. “. Initially, the entire current flows through the Iosephson contact. If a control current /, is applied to the control line 13 (FIG. 1), the maximum losephson current decreases from i "," to /,. ", And the characteristic curve changes from curve A to curve β. Since the working current //, is greater than the maximum / permissible current / ",,,. the losephson contact switches over to its normal-cilendcn state and assumes the working point F at the intersection of the resistance straight line 14 with the curve B. The stream lh is now divided into a stream //. which continues to flow through the losephson contact and a current Ii through the load resistance Ri. The voltage drop across the losephson contact is V /.
Wenn der Steuerstrom / danach abgeschaltet wird.When the control current / is switched off afterwards.
■jehι die Kennlinie H wieder in die Kurve Λ über und der Arbeitsptinki verschiebt sich von /nach /'. Die Position des Arbeitspunktes P hängt von //,, Zi, und von der I lysierese-Kennlinie des Kontakts über den Parameter■ jehι the characteristic curve H again in the curve Λ and the Arbeitsptinki shifts from / to / '. The position of the operating point P depends on // ,, Zi, and on the I lysierese characteristic curve of the contact via the parameter
,/. = ω,,. C/O„ , /. = ω ,,. C / O "
ab. vvdiin tu,,, = .τΔ/fl. Λ die Supraleiierenergielücke und (·',, den normalen Leitwert lür Spannungen > I1. beileinrn. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, ergeben sichaway. vvdiin tu ,,, = .τΔ / fl. Λ the superconductive energy gap and (· ',, the normal conductance for voltages> I 1 are included. As can be seen from FIG
κι Strome // und I1'. die in entsprechenden Zweigen lies Kreises Hießen, und eine endliche .Spannung Vj über dem Kontakt. Der Schaltkreis hat also offensichtlich nicht zurückgeschaltet.κι currents // and I 1 '. which lies in respective branches circle were called, and a finite .Connect voltage Vj across the contact. So the circuit has obviously not switched back.
Um der Schaltung zu ermöglichen, vollständigTo enable the circuit to be complete
i) zurückzuschalten, d.h. in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren, bei dem keine Spannung über dem losephson-Kontakt abfällt und wobei der gesamte Arbeitsstrom //,über den Kontakt fließt, ist es nötig, den Arbeitsstrom //. augenblicklich abzuschalten, um deri) to switch back, i.e. to the original state return with no tension across the losephson contact drops and with the entire working current //, flowing through the contact, it is necessary to use the Working current //. switch off immediately to get the
jo Spannung über dem Kontakt zu gestalten, zu ihrem Null-Wert zurückzukehren. Mit anderen Worten, der Arbeitsstrom //. muß für die Rückstellung gepulst werden. Das ist ein großer Nachteil der vorbekannten Vorrichtungen. Wenn es nämlich erwünscht ist. einejo tension over the contact to shape her Return zero value. In other words, the work stream //. must be pulsed for the reset will. This is a major disadvantage of the previously known devices. Because if you want it. one
j-, Anzahl dieser Schaltkreise hintereinander zu schallen, ist es unbedingt notwendig, sie durch Einfügen großer Induktivität in die gemeinsame Speiseleitung voneinander zu isolieren, so daß in einem der Schaltkreise aiii tretendes Umschalten die anderen Schaltkreise nichtj- to sound number of these circuits in a row, it is imperative to separate them by inserting large inductance into the common feed line to isolate so that switching aiii occurring in one of the circuits does not affect the other circuits
in beeinflußt. Falls für die Rückstellung der Arbeitsslrom /,, abgeschaltet werden müßte, wären alle an die betreffende Speiseleitung angeschlossenen Schlalkreise dennoch betroffen und es würde eine sehr lange Zeit in Anspruch nehmen, bis die in den Induktivitätenin influenced. If for resetting the working current / ,, would have to be switched off, would be all of the circuitry connected to the relevant feed line nevertheless affected and it would take a very long time to get into the inductors
r. gespeicherte Energie verschwunden wäre.r. stored energy would have disappeared.
Durch geeignete Dimensionierung ist es möglich, eine selbstrückstellende Schaltung zu entwickeln, bei der keine Notwendigkeit für das Pulsen des Arbeitsstronis lh besteht. Diese Schaltung macht den Cicbraiich von den dynamischen Eigenschaften des losephson-Kontakts. nämlich von dem Umstand, daß wenn über dem josephsoti-Koiilakl eine endliche statische (zeitlich durchschnittliche) dleichspannung < V/>. erscheint eine Wechselspannung Vder FrequenzBy suitably dimensioning it is possible to develop a self-resetting circuit in which there is no need for pulsing the workstronis lh . This circuit makes the most of the dynamic properties of the losephson contact. namely from the fact that if there is a finite static (average over time) dc voltage <V /> over the Josephsoti-Koiilakl. an alternating voltage V of the frequency appears
4' /"= Ich ■ < Vi.>. 4 '/ "= i ■ <Vi.>.
die der Spannung < V/> überlagert ist (.v-c |oseplv_ son-Effekt). Die Amplitude der Wechselspannung V hängt von den Eigenschaften des Kontakts sowie vonwhich is superimposed on the voltage <V /> (.v-c | oseplv_ son effect). The amplitude of the alternating voltage V depends on the properties of the contact as well as on
Ίο der an ihn angeschlossenen lest ab.Ίο the reading connected to it.
Es ist bekannt, daß ein joscphson-Koniakt. der in seinen normalleitendcn Zustand übergeführt worden ist. automatisch in seinen supraleitenden Zustand zurückkehrt, wenn der gesamte Kontakt-Strom // kleiner w irdIt is known that a Josephson Koniakt. the in its normal conducting state has been transferred. automatically returns to its superconducting state, if the total contact current // becomes smaller
v> als ein gewisser Minimal-Wert /„,„,. Dieses Phänomen ist ein dynamisches und es ist eine direkte Folge des ./— c losephson-Effekts. Es tritt dann auf. wenn der Augenblickswert der Kontakt-Spannungv> as a certain minimum value / "," ,. This phenomenon is dynamic and it is a direct consequence of the ./- c losephson effect. It then occurs. when the instantaneous value of the contact voltage
V1 = < V,> + V V 1 = <V,> + V
die Ordinate V1 = 0 überschreitet. Die tatsächliche Spannung < V,> über dem Kontakt, für welche das erfolgt, wird als die Minimalspannung V'„„„ bezeichnet.the ordinate V 1 = 0 exceeds. The actual voltage <V,> across the contact for which this occurs is referred to as the minimum voltage V '""".
Um einen sclbst-rückstellenden Schaltkreis zu erhal-To obtain a self-resetting circuit
bi ten. muß man deshalb die Parameter des |osephson-Kontakts und des Schaltkreises so auslegen, daß bei Abwesenheit eines Eingangssignals die Strom/Spannungs-Kennlinie des Kontakts und die Widersiands-Cje-please. therefore you have to set the parameters of the osephson contact and the circuit so that in the absence of an input signal, the current / voltage characteristic of contact and the opposition
rade nur einen stabilen Punkt gemeinsam haben, nämlich den auf der Null-Voli-Ordinate.just have one stable point in common, namely the one on the zero-voli ordinate.
In der .Schaltung gemäß F ig. I mit /. = 0, ergibt ein endlicher Durchschnittswert der Spannung < V/> einen josephson-StromIn the circuit according to Fig. I with /. = 0, a finite average value of the voltage < V /> gives a josephson current
/,. = /,„„ sin iü/t wobei ω/ = 2e/h ■ < V/> ./ ,. = /, "" Sin iü / t where ω / = 2e / h ■ < V />.
Diesel- Strom, der durch die Parallelschaltung von G. C und Zn fließtjiewirkt eine Wechselspannung V7mit einer Amplitude !'!entsprechend den Gleichungen (1) und (2) (I' ig. 12). l-'iir automatische Rückstellung muß der Strom // wie bereits erwähnt kleiner als /„„„ sein, entsprechend Gleichung (J) in I'ic. 12. Am Punkt .V (Hg. 3) ist die Amplitude V von Gleichung (I) gleich i'„„„. und V) bleibt bei null Volt. Das Kriterium fur Selbst-Rückstellung erhält man unier Benutzung der Gleichungen (4a) bis (4c) (Hg. 12). worin G den tatsächlichen Kontakt-Leitwert in der Umgebung von Vi = ν,ιιι/ibcdeutei.Diesel current flowing through the parallel connection of G. C and Z n produces an alternating voltage V 7 with an amplitude! '! According to equations (1) and (2) (I' Fig. 12). For automatic resetting, the current //, as already mentioned, must be less than / """, according to equation (J) in I'ic. 12. At point .V (Ed. 3) the amplitude V of equation (I) is equal to i '""". and V) stays at zero volts. The self-resetting criterion is obtained using equations (4a) to (4c) (Ed. 12). where G is the actual contact conductance in the vicinity of Vi = ν, ιιι / ibcdeutei.
Beispielsweise erhält man für einen Kontakt mit einer Flüche von 2 um χ 2 μηι und eine Oxydschicht von 18 Ä mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten 1, — 4. eine Kapazität C" = 0.078 ρ F. Bei einer maximalen StromdichteFor example, for a contact with a surface area of 2 µm χ 2 μm and an oxide layer of 18 Å with a relative dielectric constant of 1, -4, a capacitance C ″ = 0.078 ρ F. At a maximum current density
/,„.„ = 2 · IO4 A/cm-/, "." = 2 · IO 4 A / cm-
cntsprieht der normale Leitwert Gn (gemäß der BCS-Thcory) 107mal der Fläche des Kontakts, demnach ΟΙ, = 0.4 Ω '. Die Berechnung der Supraleiterenergielücke Δ aus Ve = 2 J/c. worin die Lückenspannung V1. mit V1. = 2.5 mV gewählt ist. ergibt Δ = 2 ■ 10 '-'Ws. Mit diesen Wenen ist es nun möglich, die losephsonl'requenz an der Lücke In, = .1.1 7; auszurechnen, die sieh zuThe normal conductance Gn (according to the BCS theory) corresponds to 10 7 times the area of the contact, hence ΟΙ, = 0.4 Ω '. The calculation of the superconductor energy gap Δ from V e = 2 J / c. where the gap voltage V 1 . with V 1 . = 2.5 mV is selected. results in Δ = 2 ■ 10 '-'Ws. With these values it is now possible to repeat the losephsonl'requence at the gap I n , = .1.1 7; calculate who watch
/;„ = 0.95 · 101-1 s '/; "= 0.95 · 10 1 - 1 s'
ergibt. Dieses Ergebnis gestattet die Berechnung des Admittanz-Verhältnisses ,'/, = ci,„C/(7ii. und dieses ergibt sich zu/f, = I.Ib.results. This result allows the calculation of the Admittance ratio, '/, = ci, "C / (7ii. And this gives to / f, = I.Ib.
Wenn man nun ,A = 1 wählt, was einer maximalen losephson-Stromdichte von /„,.„ = 2.J · K)4 A/cm-' entspricht, und ohne Steuerstrom /,. d. h. mit ;„, = /,„n. und mit G/Gu = 0.2. ergeben die Gleichungen (4a) und (4b) der Fig. 12: /„„„/;„,(, = 0.51. bzw. Vn,,,, = 2 mV. Glcichung (4c) ergibt dann (//.//,,,,1) < 0.7b als Bedingung für Selbst-Rückstellung mit den oben angegebenen Daten.If one now chooses A = 1, which corresponds to a maximum losephson current density of / ",." = 2.J · K) 4 A / cm- ', and without control current / ,. ie with; ", = /," n. and with G / Gu = 0.2. result in equations (4a) and (4b) of FIG. 12: / """/;", (, = 0.51. or V n ,,,, = 2 mV. Equation (4c) then gives (//. // ,,,, 1) <0.7b as a condition for self-reset with the data given above.
Wenn man (/<,//„ n) = 0.7 macht, d.h. >0.57 in Übereinstimmung mit Gleichung (7). mit GuAt = GuRi = 4. was die Bedingung dafür ist. daß V/ in der Nähe der Lückenspanniing V1. liegt, ist es nun möglich, die Beziehung zwischen dem in den Lastwidersland Rt umgeleiteten Strom // und dem Arbeilsstrom //. /u ermitteln, wobei sich unter Benutzung der Gleichung (5) /////, = 0.45 ergibt. Mit Gleichung (b) erhält man /,„/;„,„ < 0.9. If one makes (/ <, // „n) = 0.7, ie> 0.57 in accordance with equation (7). with GuAt = GuRi = 4. what the condition for it is. that V / near the gap spanning V 1 . it is now possible to determine the relationship between the current // diverted into the load countercurrent Rt and the working current //. Determine / u , using equation (5) /////, = 0.45. With equation (b) one obtains /, "/;", "<0.9.
Für den !-"all. daß ein Steuerstrom fließt (/, Φ 0) so daß /,„//„,ο = 0.3. hat man A„„„ = 0.55 gemäß Gleichung (4b) ( V„„„ = 1.1 mV), und /„„„//,,„ = 0.14 mit Gleichung (4a). For the! - "all. That a control current flows (/, Φ 0) so that /," // ", ο = 0.3. One has A""" = 0.55 according to equation (4b) ( V """ = 1.1 mV), and / """//,," = 0.14 with equation (4a).
Mit der oben gemachten Annahme einer Stromdichte vonWith the above assumption of a current density of
/„,.„ = 2.3 - 104 A/eni-/ ",." = 2.3 - 10 4 A / eni-
wird der maximale losephson-Strom i,„„ = 0.92 mA. und daraus ergibt sich ein Arbeitsstroni /;. = O.b4 mA. Fin Schallkreis mit den vorstehend angegebenen Parametern ist dann selbst-rückstellcnd nach Abschallung des Steuerstroms /,. the maximum losephson current i, "" = 0.92 mA. and this results in a work streak / ;. = O.b4 mA. The sound circuit with the parameters given above is then self-resetting after the control current has been switched off.
I ι g. 4 zeigt die Strom/Spannungs-Kennlinie eines
josephson-Kontakts unter Benutzung der Daten lies oben angegebenen Aiisführiingsbeispiels.
ι Ls ist natürlich wichtig, die Schaltungsparameter in
Bezug auf den Zweck geeignet zu wählen, dem die Schaltung dienen soll. Wenn die Schaltung mit anderen
kombiniert werden soll, um gewisse logische Funtkionen auszuführen, und wenn die anderen SchaltungenI ι g. 4 shows the current / voltage characteristic of a Josephson contact using the data from the example guide given above.
It is of course important to choose the circuit parameters appropriately in relation to the purpose for which the circuit is to serve. When the circuit is to be combined with others in order to carry out certain logical functions, and when the other circuits
ίο ebenfalls josephson-Kontakte enthalten, die beispielsweise durch den in die Übertragungsleitung beim Umschalten der ersten Schaltung umgeleiteten Strom // umgeschaltet weiden sollen, muß dieser Strom // eine genügende Stärke aufweisen, um die weitere Josephson-ίο also contain josephson contacts, for example by the current diverted into the transmission line when switching the first circuit // are to graze switched, this stream must // a have sufficient strength to allow the further Josephson
Ii Kontakte zum Umschalten zu veranlassen. Das hängt natürlich von den Ligenschallen der betreffenden losephson-Kontakte ab.Ii to cause contacts to switch. That depends of course from the league halls of the losephson contacts concerned.
Mine Kombination dieser selbst-rückstellendcn Schallung mit einer weiteren losephson-Sehaluing. ergibt einMy combination of these self-resetting panels with another losephson sehaluing. results in a
2(i Schema für Verknüpfungsglieder gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei einer Schaltung gemäß I-" i g. 5. in der der rechte Zweig eine Induktivität V aufweist, werden die Stromverhälinissc sowie die Phase (/ über dem losephson-Koniakl 15 durch die Gleichung2 (i scheme for logic elements according to the present Invention. In a circuit according to I- "i g. 5. in which the right branch has an inductance V, the Stromverhälinissc as well as the phase (/ over the losephson-Koniakl 15 by the equation
//•(!■'/um = (/'lAllu) Sill t/ +(///.// • (! ■ '/ um = (/' lAllu) Sill t / + (///.
beschrieben, worin i„,„ der maximale |osephson-Strom fürwhere i "," is the maximum | osephson current for
/, = Ound/. = c)„,/, = O and /. = c) ",
Gn = 2.τ/V. G n = 2.τ / V.
bedeuten, wobei N die maximale Anzahl von llußquanten '/',, ist. die von der Induktivität i' eingefangen werden können.mean, where N is the maximum number of flux quanta '/' ,,. which can be captured by the inductance i '.
Die Lösung der Gleichung für die Ströme in der Schaltung gemäß Fig. 5 kann graphisch aus der Fig. b entnommen werden. Fine Gerade 16 repräsentiert den Teil des Stromes, der in </ linear ist. d. h. den Strom /;//,„,, = (;/A. der in der Induktivität fließt. Eine der Geraden 16 überlagerte Sinuswelle 17 entspricht dem Strom // = /,., sin (/ im )osephson-Koniaki. Mit einem Arbcitsstrom A.i. der an die Schaltung von Fig. 5 angelegt wird, erhält man einen Arbeitspunkt D. In diesem Pimkl fließt ein ziemlich großer Teilstrom /„des Stromes Int über den Kontakt 15. während nur ein kleiner Strom // durch die Induktivität V fließen kann.The solution of the equation for the currents in the circuit according to FIG. 5 can be seen graphically from FIG. B. Fine straight line 16 represents the part of the current that is linear in </. ie the current /; //, ",, = (; / A. which flows in the inductance. A sine wave 17 superimposed on the straight lines 16 corresponds to the current // = /,., sin (/ im) osephson-Koniaki. With a Arbcitsstrom Ai is applied to the circuit of Fig. 5, one obtains a working point D. In this Pimkl flows a rather large partial stream / "of the current Int via the contact 15 while only a small current through the inductor // V flow can.
Wie bereits erwähnt, bewirkt das Anlegen eines externen Magnetfeldes an den losephson-Kontakt mittels eines Steuerstromes /. eine Herabsetzung des maximalen )oscplisun-Slroms /,„(,. Im Zusammenhang mit der Schaltung nach Fig. 5 drückt sich dieser Umstand in der gestrichelten Sinuswelle 18 in Fig. b aus. Das Anlegen des Steuerfeldes resultiert daher in eine Verschiebung des Arbeilspunktcs von D nach D'. Wie aus F i g. b ersichtlich, haben die Slromverhältnissc sich verändert, indem nun ein kleinerer Strom /,„,durch den losephson-Kontakt fließt, während ein größerer Strom /;, in die Induktivität V umgeleitet worden ist.As already mentioned, the application of an external magnetic field to the losephson contact by means of a control current /. a reduction in the maximum oscplisun current /, "(,. In connection with the circuit according to FIG. 5, this fact is expressed in the dashed sine wave 18 in FIG D to D ' As can be seen from Fig. B, the current ratios have changed in that a smaller current /, ", flows through the Losephson contact, while a larger current /;, has been diverted into the inductance V .
Wenn die Induktivität t' klein genug gewählt ist. ist der \nstieg tier Geraden 16 in Fig.b so groß, daß die ihr überlagerte Sinuswelle 17 keinen Schnittpunkt mit der (/-Achse hat. Der bestimmende Faktor dafür ist der Wert von '/.. Um Schnittpunkte, ausgenommen den Nullpunkt, /u vermeiden, muß λ < 3.τ/2 sein. Wenn jedoch die Induktivität i' groß ist. ist der Anstieg der Geraden 16 klein und dementsprechend könnte die Sinuswelle mehrere Schnittpunkte mit der q-Achsc aufweisen. Diese Situation ist in Fig.7 dargestellt. Bei der anfänglichen Erhöhung des Stroms folgt derIf the inductance t 'is chosen to be small enough. If the rise of the straight line 16 in Fig.b is so large that the superimposed sine wave 17 has no point of intersection with the (/ axis. The determining factor for this is the value of '/ .. Around points of intersection, with the exception of the zero point, / u avoid must be λ <3.τ / 2. However, if the inductance i 'is large. is the slope of the line 16 small and accordingly, the sine wave may have a plurality of intersections with the q-Achsc. This situation is shown in Figure 7 When the current is initially increased, the
Arbeiispunkt der Sinuswellc 17' bis /um l'iinkt 71, wo der Josephson-Konlakl umschaltet und der Arbeitspunkt /um Punkt 7j springt. Hei der Erniedrigung des Stromes folgt der Arbeiispiinki der Sinuswelle 17' bis /um Punkt Ti, der ein stabiler Arbeitspunkt isi. An diesem Punkt bleibt ein kontinuierlicher Stromfluß // in der Sehleife erhalten, ohne daß von ;uiBen Strom /ugelührt wird. Tatsächlich isi dieser lall die Basis für eine losephson-Speicher/ellc. die jedoch nicht Teil der vorliegenden l'tiinclung ist. Im (iegenieil belaßt sich die vorliegende Erfindung mit dem Schema, bei dem die Induktivität V klein genug isi. daß außer im Nullpunkt keine Schnittpunkte der Kurve 17 mit der </ -Achse existieren. Gemäß Fig. b ist das der Fall, wenn A < ijt/2 ist. Da λ = 2.τΝ, entspricht das N < 3/4. Mit anderen Worten, die Induktivität \' muß klein genug sein, daß der maximale HuIJ i'/„, kleiner ist als ungefähr ein Flußqiiant fJvThe working point of the sine wave 17 'to / around 1' links 71, where the Josephson Konlakl switches over and the working point / jumps to point 7j. The lowering of the current is followed by the working of the sine wave 17 'up to / around point Ti, which is a stable working point. At this point there is a continuous flow of current in the loop without any current being supplied from the outside. In fact, this lall is the basis for a losephson memory / ellc. which, however, is not part of the present agreement. Basically, the present invention is left with the scheme in which the inductance V is small enough that there are no intersections of the curve 17 with the axis except at the zero point. According to FIG ijt / 2. Since λ = 2.τΝ, this corresponds to N <3/4. In other words, the inductance \ ' must be small enough that the maximum HuIJ i' / ", is less than approximately one flux qiiant f Jv
Unter diesen Umständen kann kein Kingstrom in der Schleife aufrechterhalten bleiben, wenn die externen Stromquellen abgeschaltet sind. Das isi aus I· i g. b ersichtlich, wo die anfängliche Erhöhung des Stromes zu einem Arbeitspunkt Ui führt, an welchem der Kontakt zum Arbeitspunki U1 umschaltet, von wo er der Sinuswelle 17 bis zum Punkt Ui folgt, wo der Kor.taki auf dem Arbeitspunkt LU zurückschaltet, um zum Nullpunkt zurückzukehren.Under these circumstances, no Kingstrom can be sustained in the loop when the external power sources are turned off. That is from I · i g. b can be seen where the initial increase in the current leads to an operating point Ui , at which the contact switches to the operating point U 1 , from where it follows the sine wave 17 to the point Ui , where the Kor.taki switches back to the operating point LU in order to To return to the zero point.
Es wird nun wieder Bezug genommen auf die im Zusammenhang mit F i g. b erwähnten Bedingungen, d. h. ein Steuerstrom /, ist angelegt und mit einem in die Schaltung fließenden Arbeitsstrom lh» stellt sich der Arbeitspunkt D' ein. Dabei fließt nun ein größerer Strom in der Induktivität I' während ein reduzierter Strom weiterhin über dem josephson-Kontakt fließt. Da die Bedingungen so gewählt sind, daß bei diesem Vorgang kein Umschalten des Kontaktes erfolgt, kehrt der Arbeitspunkt von D' nach D zurück, wenn das externe Feld, das durch den Strom /, erzeugt wurde, nicht mehr vorhanden ist, und damit ist die Stromverteilung wieder wie sie ursprünglich war. Der Siromumlcitungsprozeß, der durch den externen Steuerstrom /, hervorgerufen wurde, ist daher vollständig reversibel.Reference is now made again to the in connection with FIG. b-mentioned conditions, ie a control current /, is applied and with an operating current Ih » flowing into the circuit, the operating point D 'is established . A larger current now flows in the inductance I 'while a reduced current continues to flow through the Josephson contact. Since the conditions are chosen so that no switching of the contact takes place during this process, the operating point returns from D ' to D when the external field, which was generated by the current /, is no longer present, and thus the Power distribution again as it was originally. The Siromumlcitungsproprocess, which was caused by the external control current /, is therefore completely reversible.
Der Fluß Φ^ in der eine Induktivität V aufweisenden Schleife der F i g. 5 wird beschrieben durch Φ\ι = (ψ/2π)Φη. Aus der Fig. 6 ist zu entnehmen, daß der maximale, »reversible« Fluß, der in der Schleife eingefangen werden kann, sich für ψ = .τ ergibt und gleich Φο/2 ist.The flux Φ ^ in the inductance V having loop of F i g. 5 is described by Φ \ ι = (ψ / 2π) Φη. From FIG. 6 it can be seen that the maximum, "reversible" flow that can be caught in the loop results for ψ = .τ and is equal to Φο / 2 .
Falls die Schaltungsanordnung, von welcher die Schaltung gemäß Fig. 5 nur ein Teil ist, einen Betrieb mit größeren Werten von Φ erfordert, ist es nötig, größere Werte für den Arbeitsstrom lh» vorzusehen. Allgemein gih, daß wenn man nimmt:If the circuit arrangement, of which the circuit according to FIG. 5 is only a part, requires operation with larger values of Φ , it is necessary to provide larger values for the operating current Ih » . In general, if you take:
2 ΝπΙλ < //,,//„,„ < (2 N + 1)π7λ.2 ΝπΙλ < // ,, // ","<(2 N + 1) π7λ.
umkehrbare Stromumleitung auch erhalten werden kann durch Steuerung von /„,. Der eingefangene Fluß Φ variiert dann zwischen ΝΦοιιηά(Ν + 1/2)Φο.Reversible current diversion can also be obtained by controlling / ",. The captured river Φ then varies between ΝΦ ο ιιηά (Ν + 1/2) Φο.
Die beiden Konzepte der Selbst-Rückstellung und der reversiblen Stromumleitung, die in den vorstehenden Abschnitten beschrieben worden sind, werden im folgenden benutzt, um verschiedene Verknüpfungsglieder zu schaffen, die logische Funktionen, wie z. 8. die UND-, ODER- bzw. NICHT-Verknüpfungen ausführen können. Wenn die genannten Konzepte bei der Auslegung dieser Verknüpfungsglieder verwirklicht werden, kehren diese immer automatisch in ihren ursprünglichen Zustand zurück, wenn ihre Eingangssignale abgeschaltet werden. Unter diesen Umständen sind die Arbeitsbedingungen eindeutig und genau definiert. Darüber hinaus besteht keine Notwendigkeit für das Pulsen der Arbeitsströme, wodurch sich entspre-The two concepts of self-resetting and reversible current diversion discussed in the foregoing Sections that have been described are used below to identify various linking links to create the logical functions such as 8. Execute the AND, OR or NOT operations can. When the concepts mentioned are implemented in the design of these links these always automatically return to their original state when their input signals be switched off. In these circumstances, the working conditions are clearly and precisely defined. In addition, there is no need to pulse the working currents, which means that
r) chend kürzere Zykluszeiten ergeben. r ) result in shorter cycle times.
I'ig. 8 zeigt ein Beispiel für ein UND-Glied mit drei Eingängen der vorliegenden Erfindung. Dieses I INI) Cilied besteht aus einem Eingangskreis 19. der die losephsonKontakie 20 bis 22 in ParallelschaltungI'ig. 8 shows an example of an AND gate with three Inputs of the present invention. This I INI) Cilied consists of an input circle 19. which the losephsonKontakie 20 to 22 in parallel connection
K) aufweisl, die über eine gemeinsame Speiseleitung 2? mit dem Arbeitsslrom //,„ versorg! werden. Die |osephson-Konlakle 20 bis 22 können durch Anlegen geeigneter Ströme L ι bis Λ ι an ihnen zugeordnete Steuerleilungen 24 bis 26 gesteuert werden. Ferner ist eine InduktivitätK) aufweisl that have a common feed line 2? with the work stream //, “supply! will. The osephson terminals 20 to 22 can be controlled by applying suitable currents L ι to Λ ι to control lines 24 to 26 assigned to them. There is also an inductance
ti 27 den |osephson-Kontaklen 20 bis 22 parallel geschaltet.ti 27 connected in parallel to the osephson contacts 20 to 22.
Das UND-Glied umfaßt ierner einen AusgangskieisThe AND element also includes an output circuit
28 mil einem |osephson-kontakt 29. der an eine Speiseleitung 30 sowie an eine Übertragungsleitung 31 angeschlossen ist. die einen Wellenwidersland A1 aufweist. Die Übertragungsleitung 31 ist mil einem Last widerstand 32 abgeschlossen, dessen Wert Ki = Z, ist.28 with an osephson contact 29 which is connected to a feed line 30 and to a transmission line 31. which has a wave cross country A 1 . The transmission line 31 is terminated with a load resistor 32, the value of which Ki = Z i.
Dieses UND-Glied isi so ausgelegt, daß einThis AND gate is designed so that a
2r> Ausgangsstrom // nur dann fließt, wenn sämtliche Eingangssiröme /, ι bis /, , vorhanden sind. Das UND-Glied stellt automatisch zurück (mit // = 0). wenn wenigstens einer der Eingangsströme Λι. Aj oder Λ, abgeschaltet wird.2 r > output current // only flows if all input currents /, ι to /,, are present. The AND element automatically resets (with // = 0). if at least one of the input streams Λι. Aj or Λ, is switched off.
jo Wenn die drei Eingangssiröme /, ι bis /,, vorhanden sind, wird fast der gesamte Arbeilsstroni //,» in die Induktivität umgeleitet und fließt dort als Steuerstrom /,. Das Magnetfeld, das durch diesen Strom erzeugt wird, reduziert den maximalen |osephson-Strom /'„, desjo If the three input currents /, ι to / ,, are present are, almost the entire Arbeilsstroni //, »in the Inductance diverted and flows there as a control current / ,. The magnetic field created by this electricity is reduced the maximum | osephson current / '", des
j) benachbarten josephson-Kontakts 29 unter den Wen des an den Ausgangskreis angelegten Arbeilsstroms //„ vorausgesetzt, daß der Steuerstrom I1 ausreichend groß ist.j) adjacent Josephson contact 29 below the value of the operating current applied to the output circuit // "provided that the control current I 1 is sufficiently large.
Da der maximale Fluß Φ in der Induktivität 27 für vollständige Reversibilität '/V2 beträgt, folgt, daß der Arbeitsslrom //, und die .Steuerkennlinie des Ausgangskreises 28 so gewählt werden müssen, daß der Kontakt Since the maximum flux Φ in the inductance 27 for complete reversibility is' / V2, it follows that the working current // and the control characteristic of the output circuit 28 must be chosen so that the contact
29 umschaltet, wenn ein Sleuerlluß '/>, von der Größenordnung '/'u/2 angelegt ist. Für eine Steuerkennlinie entsprechend der Gleichung (fca) in F i g. 12 und mil der Bedingung /,„ < Λ* erhält man ItJimu > 0,64 für das Umschalten des Kontaktes 29 bei Vorhandensein sämtlicher Eingangsströme Λ ι bis Λ j.29 switches over when a sleuerluß '/>, of the order of magnitude' / 'u / 2 is applied. For a control characteristic according to equation (fca) in FIG. 12 and with the condition /, “<Λ * one obtains ItJimu> 0.64 for switching over the contact 29 when all input currents Λ ι to Λ j are present.
Andererseits soll kein Umschalten erfolgen, wenn nurOn the other hand, no switching should take place, if only
so (n— 1) der η Eingänge des Eingangskreises 19 Strom führen. Unter Benutzung von Gleichung (8a) und F i g. b ergibt diese zusätzliche Bedingung angenähert lh/i,,*)<0,9. Die Bedingung für Selbst-Rückstellen ist durch Gleichung (4c) gegeben. Die Bedingungen für den Arbeitsstrom sind in Gleichung (10) und diejenigen für den Eingangskreis 19 sind in den Gleichungen (9a) und (9b) zusammengefaßt. Die Gleichung (9a) gilt für den Grundzustand (N = 0).so (n— 1) of the η inputs of the input circuit 19 carry current. Using equation (8a) and Fig. b results in this additional condition approximately lh / i ,, *) <0.9. The condition for self-reset is given by equation (4c). The conditions for the operating current are summarized in equation (10) and those for the input circuit 19 are summarized in equations (9a) and (9b). Equation (9a) applies to the ground state (N = 0).
Die Berechnung eines praktischen Ausführungsbeispiels eines UND-Gliedes beginnt mit der Ermittlung der Parameter für den Ausgangskreis 28. Die WerteThe calculation of a practical embodiment of an AND element begins with the determination the parameter for output circuit 28. The values
Jn0, = 23 - 1 VA/cm-'. Jn 0 = 23-1 VA / cm- '.
A =4 μπι2, A = 4 μπι 2 ,
C0 =0,47 Ω-1, C 0 = 0.47 Ω- 1 ,
Z0 = 4a Ω (C0Z0 = 2). Z 0 = 4a Ω (C 0 Z 0 = 2).
GZG0 = 02 und ßc = 1, SLS 0 = 02 and ß c = 1,
ergeben mit Gleichungen (4c) ItJim» < 1,0 als Bedin-result with equations (4c) ItJim »< 1.0 as a condition
giing für Selbst-Rückstellung. Mil Gleichung (H)) erhält man die Ciren/eti 0.64 < ////„,u < ".4. Wenn man //,//,„,ι = 0.8 wählt, erhält man /////, = 0.8 mit Gleichung (5) und mit Glcichiing(b)/„//„,u < 0,8.went for self-default. Mil equation (H)) one the Ciren / eti 0.64 <//// ", u < ".4. If you choose //, //,", ι = 0.8, you get /////, = 0.8 with equation (5) and with Glcichiing (b) / "//", u <0.8.
Iλ ist nun erforderlich, den Steuerstrom /, /u berechnen, der in der Induktivität des Eingangskreises 14 Hießen muH. Der Wert /„,//,„,, < 0.8. der für den Ausgangskreis erhalten wurde, impliziert mit Gleichung (8a) daß <l\J<l·,, > OJb. Unter Benutzung von Gleichung (8b) in welcher /.die Länge des josephson-Kontakts und A/ die loscphson-Kindringlicfc bedeuten, muß man I- ibenIλ is now required to calculate the control current /, / u, which in the inductance of the input circuit 14 must be called. The value / ", //," ,, <0.8. which was obtained for the output circle implies with equation (8a) that <l \ J <l · ,,> OJb. Using equation (8b), in which /. Is the length of the Josephson contact and A / is the Loscphson child ring, one must iben
/,//„,„ >
OJb ■ 2.t7(/./A/)-\
Für eine maximale josephson-Stromdichte
/„,,. = 2J · H)4 A/cm-/, // ","> OJb ■ 2.t7 (/./ A /) - \
For a maximum josephson current density
/ ",,. = 2J · H) 4 A / cm-
ist tue losephson-Lindringiiefe A/ = 2.3 μ in. Pur einen Kontakt mit einer Länge von /. = 2,5 μιη und einer Breite von Lb μιη. entsprechend einer [-"lache von •\ = 4 um-', erhält man /VA/ = L so daßis tue losephson-Lindringiiefe A / = 2.3 μ in. Pure one Contact with a length of /. = 2.5 μm and one Width of Lb μιη. corresponding to a [- "pool of • \ = 4 um- ', one obtains / VA / = L so that
/.//,„(, > OJb · 2.T = 2.25.
Der maximale |osephson-Slrom wird berechnet aus/.//, "(,> OJb · 2.T = 2.25.
The maximum | osephson slrom is calculated from
/,„.ι - /.„.,. ■ Λ = 2.3
= 0,42 niA./, “.ι - /. “.,. ■ Λ = 2.3
= 0.42 niA.
107cm- -4 10 « cm-107cm- -4 10 "cm-
und daraus ergibt sich /, > 2.05 mA.and this results in /,> 2.05 mA.
Ks wird nun vorausgesel/t. daß wenn sämtliche Lingänge 24 bis 2β Strom führen, etwa 40% des Arbeitsstroms in die Induktivität 27 umgeleitet werden. Daraus folgt, daß man haben muß /, = 0,4 . /,-,,,, was /mi > 2,3 niA ergibt. Nimmt man A = .t. um die Gleichung (4b) /ti erfüllen, erhält man mit Gleichung (4a) /Μι//",,,« < I für den Eingangskreis oder /„,π > /mi = 2.3 niA für die Kontakte im Eingangskreis. MitKs is now preselected. that if all Lengths 24 to 2β conduct current, about 40% of the operating current is diverted into the inductance 27. It follows from this that one must have /, = 0.4. /, - ,,,, what / mi > 2.3 niA results. If one takes A = .t. to the Fulfilling equation (4b) / ti is obtained with equation (4a) / Μι // ",,,« <I for the input circuit or / „, π> / mi = 2.3 niA for the contacts in the input circuit. With
Λ.μι = /,„.,» ■ Λ und riir /„,.„ = 2J ■ WA/cm-,Λ.μι = /, ".,» ■ Λ and riir / ",." = 2J ■ WA / cm-,
erhält man A > 10 'cm-', d. h_ die Fläche jedes der Lingangskontakie 20 bis 22 sollte größer als 10 : cm ' (beispielsweise 3 um χ 4 um) sein.one obtains A> 10 'cm-', i.e. The area of each of the input contacts 20 to 22 should be greater than 10 : cm '(for example 3 µm χ 4 µm).
I ine weitere Möglichkeit /ur Verwirklichung eines
UND-Gliedes ist in l'ig.9 gezeigt. Bei diesem Auslührungsbeispiel sind der Eingangskreis 19 und der
Ausgangskreis 28 des UND-Gliedes gemäß Fig. 8 zu
einem gemeinsamen Kreis 33 kombiniert, der von einem einzigen Arbeitsstrom Ib gespeist wird. Josephson-Kontakte
34 bis 36 sind jeweils in Reihe geschaltet mit Induktivitäten 37 bis 39. Jeder der Kontakte hat seine
f igene Steuerleitung 40 bis 42 an welche Steuerströme /, ι bis h ι angelegt werden können. Die Zweige mit den
losephson-Kontakten sind parallel geschaltet und mit einer Übertragungsleitung 43 verbunden, die mit einem
Widerstand 44 abgeschlossen ist, dessen Wert dem Wellenwiderstand Za der Übertragungsleitung 43 entspricht
Beim Betrieb dieses UND-Gliedes wird erwartet daß eine Spannung V/. = V^ an dem Widerstand
44 abfällt, falls alle π Eingänge des UND-Gliedes mit ihren Eingangsströmen l„ gespeist werden, d. h. die
losephson-Kontakte 34 bis 36 müssen alle in ihren normalleitenden Zustand umgeschaltet haben. Wenn
nur (n— 1) oder weniger Eingänge Strom führen, sollte
kein Umschalten eintreten, wobei die Ströme (gemäß dem in Zusammenhang mit F i g. 6 beschriebenen
Prinzip) in die ohne Eingangsströme gebliebenen Zweige umgeleitet werden. Diese Voraussetzungen
zur Bedingung
"(/,„//,„,,I
< (//,//„..(i)
< (»- Dl',,// > + -II/.. Another possibility of realizing an AND element is shown in Fig. 9. In this exemplary embodiment, the input circuit 19 and the output circuit 28 of the AND element according to FIG. 8 are combined to form a common circuit 33 which is fed by a single working current Ib. Josephson contacts 34 to 36 are each connected in series with inductances 37 to 39. Each of the contacts has its own control line 40 to 42 to which control currents /, ι to h ι can be applied. The branches with the Losephson contacts are connected in parallel and connected to a transmission line 43 which is terminated with a resistor 44, the value of which corresponds to the characteristic impedance Za of the transmission line 43. When operating this AND gate, it is expected that a voltage V /. = V ^ at the resistor 44 drops if all π inputs of the AND element are fed with their input currents I " , ie the Losephson contacts 34 to 36 must all have switched to their normally conducting state. If only (n- 1) or fewer inputs carry current, no switching should occur, the currents (in accordance with the principle described in connection with FIG. 6) being diverted to the branches that remained without input currents. These prerequisites are a condition
"(/," //, ",, I <(//,// «..(i) <(» - Dl ',, //> + -II / ..
ι worin A = Mm ■ l'C>o = 2.τ Ν. l-'ür vollständige Re\er sihililät müssen die Induktivitäten 37 bis 39 klein genug sein, so daß kein Ringstrom in der Schaltung fließen kann, nachdem alle Fingangssignale abgeschaltet sind. Das impliziert die Bedingung 2A < 3.τ/2, d.h. dieι where A = Mm ■ l'C> o = 2.τ Ν. For complete safety the inductances 37 to 39 must be small enough so that no ring current can flow in the circuit after all input signals have been switched off. That implies the condition 2A <3.τ / 2, ie the
in Induktivitäten müssen so klein sein, daß sie lediglich einen Teil eines FluUquantums'/'o einfangen können.in inductors must be so small that they only be able to capture part of a fluid quantum '/' o.
Unter diesen Bedingungen arbeitet die Schaltung 5i als ein reversibles UND-Glied. Außerdem ist es selbst-rückstellend, wenn (GnZ11) und /i, klein genugUnder these conditions, the circuit 5i operates as a reversible AND gate. It is also self-resetting if (G n Z 11 ) and / i, small enough
i'i gewählt sind, um der Gleichung (4c) in I'ig. 12 /u genügen. In einem bevorzugten Alisführungsbeispiel ergaben die folgenden Parameter ein reversibles, selbsl-rücksiellendes UND-Glied mit drei Eingängen:i'i are chosen to correspond to equation (4c) in I'ig. 12 / u suffice. In a preferred example, the following parameters resulted in a reversible, self-returning AND element with three inputs:
,„ /„//,„„ = 1.1, A = 2. (/,,//,,,U)134 3Μ -0,25,, "/" //, "" = 1.1, A = 2. (/ ,, // ,,, U) 134 3Μ -0.25,
Ji1 = 1, C11Z11 = 5. Ji 1 = 1, C 11 Z 11 = 5.
Ein Heispiel f'ir ein ODER-Glied, das ähnle In· Prinzipien benutzt, wie das UND-Glied der I" ig. 8, is: inAn example for an OR element that is similar to In Principles are used like the AND element of I "ig. 8, is: in
.'', I·' ig. 10 dargestellt. In diesem Beispiel sind losephson-Kontakte 45 bis 47 in Reihe geschaltet mit einer Speiseleitung 48 und arbeiten zusammen mit einet gemeinsamen Induktivität 49. die den Kontakten parallel geschallet ist. leder der Kontakte 45 bis 47 hat. '', I · 'ig. 10 shown. In this example there are losephson contacts 45 to 47 connected in series with a feed line 48 and work together with one common inductance 49th which is sonicated parallel to the contacts. leather of contacts 45 to 47 has
id seine eigene Eingangsleiiung 50 bis 52. Die Induktivität 49 ist mit einem Josephson-Kontakl 53 gekoppelt, der eine eigene Speiseleitung 54 hat. Wie bei der Schallung gemäß 1 i g. 8 ist der Kontakt 53 mit einer Übertragungsleitung 55 verbunden, die mit einem Widerstandid its own input line 50 to 52. The inductance 49 is coupled to a Josephson contact 53, the has its own feed line 54. As with the formwork according to 1 i g. 8 is contact 53 with a transmission line 55 connected to that with a resistor
ι, 56 abgeschlossen ist.dessen Wen n, = >'>ist.ι, 56 is completed, whose Wen is n, => '>.
Das ODER-Glied soll ein Ausgangssignal liefern (und einen Spannungsabfall V) = V1. über dem Widersland 56). falls irgendeiner oder mehrere der Eingangsstrome Ai bis Ai vorhanden sind, !n diesem Fall wiril derThe OR gate should provide an output signal (and a voltage drop V) = V 1 . over the opposing land 56). if any one or more of the input currents Ai to Ai are present, in this case, weil the
4(i Arbeitspunkt des entsprechenden |osephson-Konlakles 50, 51, 52 von einer anfänglichen Position bei üin Γ i g. b zu einer neuen Position D' verschoben, da die Sinuswellc 17 für //=/„«1 ■ sine/' zu der Sinuswelle 18 abgeflacht worden ist, mit /,= /,„, · sin </-. Wie aus F i g. b4 (i working point of the corresponding | osephson-Konlakles 50, 51, 52 shifted from an initial position at üin Γ i g. B to a new position D ' , since the Sinuswellc 17 for // = / "« 1 ■ sine /' to the sine wave 18 has been flattened, with /, = /, ", · sin </ -. As from Fig. b
4Ί ersichtlich, wird im Arbeitspunkl D' ein größerer Teil des Arbeilsstroms /«. in die Induktivität 49 umgeleitet. Ks ist jedoch darauf zu achten, daß das Anlegen der Eingangsströme Λ an die Eingangsleiiung 50 bis 52 nicht dazu führt, daß die zugeordneten Josephson-Kontakte umschalten. 4Ί can be seen, a larger part of the working flow / « is at work point D '. diverted into inductance 49. Ks, however, it must be ensured that the application of the input currents Λ to the input lines 50 to 52 does not cause the associated Josephson contacts to switch.
Das Anlegen eines der Eingangsströme /, sollte bewirken, daß ein größerer Steuerstrom A in der Induktivität 49 auftritt, dessen Größe ausreicht, um den maximalen Josephson-Strom /„, im Kontakt 53 so weitApplying one of the input currents /, should cause a larger control current A in the Inductance 49 occurs, the size of which is sufficient to the maximum Josephson current / ", in contact 53 so far
ϊ5 herabzusetzen, daß der letztere in seinen normalleitenden Zustand umschaltet, wobei ein Teil des Arbeitsstroms It, in die Übertragungsleitung 55 umgleitet wird. ϊ5 reduce the fact that the latter switches to its normally conducting state, with part of the operating current It, being diverted into the transmission line 55.
Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich für die Arbeitsbedingungen des ODER-Gliedes folgendes: Die Reversibilität des Eingangskreises 57 ist gewährleistet, wenn i'to/ima<sr/k. Unter der Annahme einer Steuerkennlinie entsprechend Gleichung (8a), Fig. 12, erfordert das Umschalten des Kontakts 53 im Ausgangskreis 58 bei Vorhandensein eines Eingangsstromes L daß /*//mo>0,64. Selbstrückstellen des Ausgangskreises ist gewährleistet, wenn die Gleichung (4c) in F i g. 12 erfüllt ist. Ein offensichtlicher Vorteil des ODER-Gliedes ist daß, obwohl die Josephson-Kontakte 45 bis 47 desUnder these conditions, the following results for the working conditions of the OR element: The reversibility of the input circuit 57 is guaranteed if i'to / i m a <sr / k. Assuming a control characteristic corresponding to equation (8a), FIG. 12, the switching of the contact 53 in the output circuit 58 in the presence of an input current L requires that / * // mo> 0.64. Self-resetting of the output circuit is guaranteed if equation (4c) in FIG. 12 is fulfilled. An obvious advantage of the OR gate is that although Josephson junctions 45 through 47 of the
Kingangskrcises in Reihe geschaltet sind, der Ausgangsstrom immer konstant = VJ Ri ist.Kingangskrcises are connected in series, the output current is always constant = VJ Ri .
Eine mögliche Ausführungsform eines NICHT-Gliedes ist in Fig. 11 gezeigt. Das NICHT-Glied sollie ein Ausgangssignal liefern (und einen Spannungsabfall V/ über seinem Ausgangswidersland Ri). falls das Eingangssignal A, nicht vorhanden ist. Das NICHT-G l'C-d hat einen Eingangskreis 59. der einen Josephson-Konlakt 60 umfaß!, sowie zwei Induktivitäten 61 und 62 in Parallelschaltung, wobei eine von ihnen (61) mit dem Kontakt 60 in Reihe geschaltet ist. Arbeitsstrom In, wird einer Speiseleitung 63 des Eingangskreises 59 zugeführt und wird aufgeteilt, so daß im wesentlichen gleiche Talströme durch die beiden Zweige 64 und 65 des Eingangskreises 59 fließen. Der losephson-Konlakt 60 li;:t eine Eingangsleilung 66. an welche ein Eingangsslrom / ungelegt werden kann.'A possible embodiment of a NOT element is shown in FIG. The NOT element is intended to provide an output signal (and a voltage drop V / across its output counter-land Ri). if the input signal A, is not available. The NOT-G l'Cd has an input circuit 59. which comprises a Josephson Konlakt 60 !, as well as two inductors 61 and 62 in parallel, one of them (61) being connected to the contact 60 in series. Working current In, is fed to a feed line 63 of the input circuit 59 and is divided so that essentially equal valley currents flow through the two branches 64 and 65 of the input circuit 59. The losephson-Konlakt 60 li;: t an input line 66. to which an input current / can be placed. '
Wenn der Eingangsstrom /, nicht vorhanden ist. ist der Speisestrom Im. wie erwähnt, auf die beiden Zweige 6-4 und 65 aufgeteilt. Der Steiierfluß <I\ - V /„,/2. der in dem den Kontakt 60 enthaltenen Zweig 64 fließt, wird dazu benutzt, einen losephson-Kontakt 67 des Ausü.iiigskreises 68 zu steuern. Der Sicucrfluß '/', iil groß fivüiig gewühlt, um den Kontakt 67 in seinem normalleitenden Zustand zu halten, so daß über dem Widerstand 69 eine Spannung Vi abfällt.When the input power /, is absent. the supply current Im. as mentioned, is divided between the two branches 6-4 and 65. The Steiier flow <I \ - V / „, / 2. which flows in the branch 64 containing the contact 60 is used to control a losephson contact 67 of the control circuit 68. The Sicucrfluss '/', iil large voluiig to keep the contact 67 in its normally conducting state, so that across the resistor 69 a voltage Vi drops.
Wenn das Eingangssignal /. angelegt wird, wird der maximale |osephson-Strom des Kontakts 60 herabgesetzt und der größte Teil des Stromes A wird vom Zweij 64 in den Zweig 65 umgeleitet. Diese Umleitung is reversibel und erfolgt ohne Umschalten des Kontakte? 60. in der im Zusammenhang mit E ig. b beschriebener Weise. Der Rest des Flusses '/».genügt nun nicht mehr um den losephson-Konlakt 67 in seinem umgeschalteten Zustand zu halten und infolgedessen stellt dei Ausgangskreis 68 automatisch zurück, wobei V; =C w ird.When the input signal is /. is applied, the maximum | osephson current of the contact 60 is reduced and most of the stream A is diverted from Zweij 64 to branch 65. This redirect is reversible and takes place without switching the contacts? 60. in connection with E ig. b described Way. The rest of the river is no longer enough in order to keep the losephson conlact 67 in its switched state and, as a result, dei Output circuit 68 automatically returns, where V; = C w ill.
id Die Reversibilität dieses NICIIT-Gliedes wird ge wiihrleistei. wennid The reversibility of this NICIIT member is ge guarantee. if
2 NrIk < /„,//,„„ < (2 N+ I) nlk ,2 NrIk < / ", //,""<(2 N + I) nlk ,
|-, wobei /. proportional der Induktivität i' ist. Mit N = (I (sogenannter Griind/.tisuind) und einer Steuerkennlinic in Übereinstimmung mil Gleichungen), ergibt sich| -, where /. is proportional to the inductance i ' . With N = (I (so-called Griind / .tisuind) and a control characteristic in accordance with equations), the result is
0 </„,//„„, <.τ/λ.0 </ ", //" ", <.τ / λ.
und der losephson-Konlakt 67 des Atisgangskreises 68 schallet um. falls l,Ji„,t> 0.4. and Losephson Conlact 67 of Atisgangskreis 68 echoes around. if l, Ji ", t > 0.4.
Für den Fall N= I. wird der Eingangskreis 59 mitFor the case N = I. the input circuit 59 is with
betrieben, und !er Kontakt 67 nimmt seinen norma leitenden Zustand ein (falls /, = 0) vorausgesetzt, dal: /λ//,,,,, > 0.35.operated, and! he contact 67 assumes its normally conductive state (if /, = 0) provided that: / λ // ,,,,,> 0.35.
Hierzu 4 Hkilt ZeichnunuenFor this 4 Hkilt drawings
Claims (1)
T V1, \ Ji1 ) 4 v """ ^ ζ ijj iiM \
T V 1 , \ Ji 1 )
V GuH1. J ( 1 + CK 1 \
V GuH 1 . J
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